Взаимодействие со скальным массивом, сооружений, вписанных в глубоко расчлененный рельеф

Как было отмечено ранее, наиболее представительным типом подобных сооружений являются гидротехнические. Среди последних лучше изученными можно считать высокие бетонные плотины разных конструкций. Они, как правило, заглублены в дно и борта долин и сопровождаются массой выработок разного назначения, глубоко проникающих в скальный массив.
Выше было показано, что в горно-складчатых областях практически не бывает тектонически ненарушенных скальных массивов. Все они характеризуются сложной и сильно варьирующей трещиноватостью. Наличие разрывных и трещинных зон и крупных трещин определяет иерархическую блочность массива, которая подразумевает относительную подвижность всего разнообразия подобных блоков под воздействием как эндогенных (тектонических или сейсмических), так и техногенных напряжений. Естественно, что, будучи вписанным, в мозаичную по прочности и подвижности скальную среду инженерное сооружение должно быть приспособлено к безаварийной работе в подобных условиях.
В разнообразных бетонных и железобетонных сооружениях вследствие разных причин, в том числе из-за неравномерных осадок и тектонических движений возникают дополнительные напряжения. Чтобы их избежать, сооружение “нарезают” на части, разделенные конструктивными или деформационными швами. Благодаря им отдельные части сооружения могут иметь относительные смещения. Водонепроницаемость деформационных швов достигается их уплотнением.
Разработаны различные типовые проекты швов плотин, зданий ГЭС, шлюзов и др. Плотины на скальном основании принято разрезать поперечными (нормальными к оси плотины) температурными швами, сквозными на всю ее высоту, которые делят сооружение на отдельные самостоятельно работающие секции, или несквозными швами, разрезающими высокое сооружение не на всю его высоту, и швами-надрезами. Швы-надрезы, по необходимости, располагают в разных частях сооружения. Так, в русловой плотине Братской ГЭС вертикальные швы-надрезы предусмотрены для уменьшения влияния заделки бетонных блоков в скальное основание. Это позволило в 5 раз уменьшить раскрытие трещин. Деформационный шов гидротехнического сооружения включает следующие элементы: 1) полость шва; 2) уплотняющее устройство; 3) дренажное устройство для организованного отвода воды (вертикальные и горизонтальные дрены и колодцы); 4) вспомогательные устройства (запасные шахты, смотровые колодцы, устройства по прогреву и доливке асфальтового материала и др.). В каждом отдельном случае состав шва решается различно. Деформационные швы бывают плоскими, штрабовидными (трапецеидального или прямоугольного сечения) и ломаными. Рекомендуется ширина швов в пределах фундаментальной плиты 1-1,5 см и 4-5 см на более высоких отметках.
Швов может быть достаточно много. Так, плотина Красноярской ГЭС, высотой 120 м и длиной по гребню 1 065 м, состоит из 75 секций, разделенных вертикальными деформационными швами.
Деформационные швы, обеспечивающие независимые вертикальные и горизонтальные перемещения и наклоны секций, могут быть из разных материалов и различных конструкций в зависимости от типа сооружения и условий его эксплуатации. В качестве примера можно привести некоторые варианты рекомендуемых деформационных швов и их уплотнений (табл. 6.1).

В связи с тем, что при трапецеидальных створах в арочных плотинах вблизи основания возникают значительные растягивающие напряжения, Бюро мелиорации США предложило устраивать шов-надрез, начинающийся у напорной грани и заканчивающийся в потерне. Такой шов французские инженеры осуществляли ранее на плотине Лауза. Рекомендованы подобные швы и для российских арочных плотин. Для устранения протечек в трещинах и швах широко используются пластики (например, эпоксидные смолы с отвердителем, полисульфидный пластификатор и др.).
Таким образом, нарезанное деформационными швами, т.е. по существу блочное и в определенной степени подвижное инженерное сооружение оказывается вписанным и закрепленным в примыканиях в подвижный и блочный скальный массив. Далее вопрос может стоять лишь о соизмеримости их безаварийной подвижности при взаимодействии. Традиционными путями предотвращения возможных аварийных ситуаций являются укрепление скального массива для снижения его подвижности и конструктивные решения, способствующие безаварийной подвижности самих сооружений.
При расчетах устойчивости гравитационных и контрфорсных плотин сооружение и основание рассматриваются как два самостоятельных тела, которые могут сдвигаться друг относительно друга. Кроме того, следует принимать во внимание частое присутствие в основании разрывных зон и крупных трещин, способных к смещению как при техногенных нагрузках, так и в результате тектонических движений. Для безаварийного преодоления подобных смещений применяются различные конструктивные особенности. Так, растягивающие напряжения, перпендикулярные к поверхности примыкания плотины к основанию, могут нейтрализоваться в некоторых случаях устройством периметрального (или периметрического) шва, отделяющего тело арочной плотины от седла. Такой шов осуществляет возможность поворота плотины и уплотняется со стороны верховой и низовой граней для предотвращения попадания в шов воды. Применение периметрического шва дает эффект при строительстве арочных плотин в узких каньонах.

Для арочно-гравитационных плотин, которые возводятся в широких створах и имеют значительную толщину у основания, в зоне примыкания устраиваются продольные швы. Иногда принимается решение об отказе от цементации межстолбчатых швов на нижних отметках. Для предотвращения трещинообразования от растягивающих напряжений, действующих по контуру примыкания или вдоль седла, часто предлагается устройство радиальных швов и отказ от цементации радиальных меж секционных швов (Ингури ГЭС). При строительстве арочных плотин в сейсмических районах и пересечении плотиной разрывных нарушений с возможным относительным смещением до 5 см рекомендуется сложная надразломная конструкция (рис. 6.3). Седло плотины выполняется с выступом в разрывной зоне. В седле плотины образуется система полостей и швов. Полости, ориентированные по направлению разлома и срединной поверхности плотины, уменьшают сдвиги в плоскости периметрального шва. Сочетание продольных и поперечных разрезов уменьшает дополнительные изгибающие
моменты при относительных смещениях основания. Кроме того, со стороны нижнего бьефа вдоль периметрального шва может быть сделан выступ. Шов между ним и основанием заполняется пластичным материалом. И внутри выступа могут быть камеры для пластичного материала. Это повышает сейсмостойкость плотины. Кроме того, применяются различные конструкции пятовых примыканий (рис. 6.4).
Разнообразные деформационные швы применялись для многих плотин, скальные основания которых осложнены разрывными нарушениями (табл. 6.2).

Раскрытие контактного шва и разуплотнение основания зафиксировано на плотинах Братской ГЭС и Усть-Илимской ГЭС и на плотине Сан-Джакомино-ди-Франс.
При наличии разрывных зон в основании контурный шов существенно улучшает напряженное состояние арочных плотин. Такой шов рекомендован для Болгарской арочной плотины Антонивановцы, высотой 145 м. В ее основании выявлено 10 разрывных зон мощностью 0,4-8 м (рис. 6.5). Седло плотины с контурным швом, перекрывая разрывные зоны, создает благоприятные условия опоры плотины на скальное основание.
Разрушение системы плотина-основание обычно процесс сложный. Часто он включает образование трещин отрыва под напорной гранью и зоны сжатия под низовой гранью сооружения, где в момент потери сооружением устойчивости может образоваться зона сжатия и дробления скального массива.

He исключено, что применение деформационных швов и других конструктивных мероприятий предотвратило опасность от криповых смещений по разрывам. Однако, фиксируемые смещения, часто соизмеримые с известными криповыми, обычно относятся на счет неравномерных осадок при заполнении водохранилищ и на счет сезонных температурных колебаний.
Допускаются весьма значительные деформации, обусловленные современными тектоническими движениями, в том числе фоновыми (вертикальные до 10-15 мм/год) и относительными подвижками по разрывным нарушениям (до 5-8 мм/год в плане и по высоте), с учетом переменных значений направления и скорости последних. На ряде плотин (Нурекская, Рогунская, Токтогульская ГЭС и др.) с разрывными нарушениями в основании между отдельными циклами геодезических измерений (обычная их повторяемость 1-2 раза в год) зафиксированы подвижки до 10 мм в плане и по высоте, иногда до 15 мм за несколько лет. Суммарные же величины осадок бетонных плотин, располагающихся на скальных основаниях, достигают величин от нескольких сантиметров, до первых десятков сантиметров (Нурекская — 160-210 мм, Чарваксая — 70 мм, Ингурская — 20 мм, Саяно-Шушенская— 32 мм, Чиркейская — 31мм, Братская — 75 мм, Красноярская — 32 мм, Токтогульская — 21 мм).
В литературе приводятся примеры интенсивного растрескивания основания плотин, возможно, связанные с тектоническими причинами, которые далеко не всегда принимаются во внимание. Так, в арочной плотине Отфаж (Франция) высотой 54 м, после первого заполнения водохранилища на левобережном участке цоколя со стороны нижнего бьефа появились и множились трещины, а затем трещины возникли в правобережной части цоколя и теле плотины. Основной причиной повреждения плотины считается неоднородность скального основания, его необратимые смещения, связанные с ползучестью скалы, особенно значительные (16 мм за период с 1958 г. по 1961 г.) в верхней части левого берега. Под одной из арок многоарочной плотины Лa-Жиротг высотой 45 м зафиксировано раскрытие на 6-7 мм трещин в скальном основании.
По поводу значительных величин реальных смещений в основании крупных гидротехнических сооружений можно привести несколько примеров.
Бетонная гравитационная плотина Братской ГЭС, высотой 125 м, оборудована сложной контрольно-измерительной аппаратурой, включающей более 3 000 единиц, в том числе 760 марок, 27 прямых и обратных отвесов, 120 визуальных щелемеров, 1 800 датчиков в бетоне, 330 пьезометров в основании, струннооптический створ и т.п. Плотина оборудована расширенными швами с асфальтовыми шпонками, латунными диафрагмами и пр. Результаты наблюдений за деформациями тщательно анализировались. Периодичность нивелирования в строительном периоде составляла 12 раз в год, а в эксплуатационном (с 1967 г.) — 2 раза в год (в апреле и октябре). Максимальная осадка наблюдалась в октябре 1986 г. и составила на 1 м створа 76,5 мм. В поперечных створах формировался наклон в сторону верхнего бьефа, а осадки VI столба плотины и здания ГЭС отстают от остальных столбов плотины. Сезонные изменения осадок составляют ±1-2 мм. Горизонтальные сезонные смещения в теле плотины, измерявшиеся с точностью ±0,1 мм, достигают 0,5-1,5 мм, а общая величина смещений достигает от +2,5 до -1 мм, и относится к станционным секциям. В строительный период на всех поверхностях, доступных осмотру, было зафиксировано 3 000 трещин со средним раскрытием 0,2-0,3 мм. В основании плотины фиксируется разуплотнение скалы с образованием растягивающих деформаций (раскрытие контактного шва) как в теле плотины, так и до 2 м вглубь скалы.
Арочная плотина Ингури ГЭС, в Грузии, высотой 271 м. В структурном отношении основание плотины Ингури ГЭС делится на блоки разных порядков. Правобережный разрыв (рис. 6.6) представляет собой взбросо-сдвиг, который делит весь массив основания плотины на два структурных блока первого порядка: 1) блок А, представляющий собой взброшенное крыло разрыва и 2) блок Б — его опущенное крыло. Крупные трещины делят эти блоки на более мелкие, которые входят в состав семи геоструктурных зон, выделяемых по характеру трещиноватости, наличию тектонитов и мощности зон выветривания. В блоке А обособляется верхняя доломитовая зона взброшенного крыла (зона VII) и приразломная зона взброшенного крыла (зона VI); в блоке Б — приразломная зона опушенного блока — правобережное крыло антиклинального перегиба (зона V), и зона свободной части антиклинального перегиба (зона I); нижняя зона (II) и верхняя зона (III и IV) левобережного крыла антиклинального перегиба. Наиболее высокой степенью трещиноватости пород и повышенными мощностями зон разгрузки обладают приразломные правобережные зоны (V и VI). Наибольшей сохранностью пород характеризуется зона I, соответствующая русловой части долины, где мощность аллювия достигает 40 м. По данным структурно-геологических, геоморфологических исследований и наклономерных измерений в штольнях, пересекающих разрыв, современные разрывные смещения не выявлены. Максимум осадок сначала находился под верховой гранью, а затем переместился под низовую грань и к 1 июня 1981 года достиг 21 мм. В начальный период возведения плотины ее центральная часть наклонялась в верхний бьеф, а с наполнением водохранилища начала наклоняться в нижний бьеф.

Тело плотины Ингури ГЭС разрезано на 38 секций межсекционными швами, а также периметральным и продольным швами (рис. 6.7). В швах плотины предусмотрены противофильтрационные уплотнения в виде латунных листов с петлевым компенсатором. Антисейсмическое армирование предотвращает недопустимые раскрытия межсекционных швов с образованием сквозных горизонтальных трещин. Надежность плотины обеспечивается, кроме того, устройством уплотнений повышенной надежности в межсекционных и периметральном швах, защитой контакта седла плотины со скалой в нижней части ущелья со стороны верхнего бьефа битумной мастикой, покрытием напорной грани в нижней трети плотины резино-эпоксидной гидроизоляцией, закладной в бетоне плотины систем повторной и многократной цементации, устройством развитой дренажной системы и системы штолен-галерей в бортах и теле плотины, позволяющих в случае необходимости провести ремонтные работы, а также инженерные работы по консолидации основания. В состав подземного контура плотины входят укрепительная цементация основания глубиной до 30 м, противофильтрационная цементационная завеса глубиной до 120 м, выполняемая из шести ярусов цементационных штолен, дренажная завеса глубиной от 70 м в русловой части ущелья до 150 м в бортах ущелья. Заделка правобережного разрыва выполнена в виде сплошного бетонного массива толщиной около 10 м в верхней своей части, прилегающей к телу плотины, и столбов сечением 10х8 м в нижней части плотины (рис. 6.8). Такая конструкция позволяет снизить концентрации напряжений, в том числе, по-видимому, и тектонических. Бетоном заделаны и 5 прерывных трещин шириной до 30 и более сантиметров.

Для компенсации возможных дифференцированных смещений в зоне правобережного разрыва разработана специальная конструкция надразломной зоны седла (рис. 6.9). Высота седла над разломом увеличена, а само седло разрезано двумя системами гладких швов, обеспечивающих определенную свободу перемещений основания. Швы первой системы ориентированы примерно вдоль разрыва. Одни из них сопрягаются с межсекционными швами, другие располагаются внутри секций и разрезают седло от поверхности скалы до половины его высоты. Швы второй системы ориентированы параллельно поверхности и доводятся до половины высоты седла. Такая конструкция обеспечивает восприятие подвижек до 10 см практически без изменения напряженного состояния плотины.

Недостроенная каменно-земляная плотина Рогунской ГЭС, в Таджикистане, высотой 330 м (рис. 6.10). Она размещена в тектоническом блоке, ограниченном двумя разрывами (Ионахшским и № 35), между которыми расположено несколько более мелких разрывов. К Ионахшской разрывной зоне, расположенной в 0,5 км выше оси плотины, но в ее основании, на глубине 20 м ниже уровня грунтовых вод приурочено пластообразное тело каменной соли мощностью 20 м. На глубине 1,5 км его предположительная мощность достигает 100 м (рис. 6.11). Материалы проектирования предполагали, для предотвращения деформаций от химической суффозии ядро и большую часть верховой упорной призмы плотины разместить вне этого соляного пласта. Тем не менее, защита соли от размыва предусматривает: цементацию оголовка соли, устройство за соляным пластом ряда напорных гидравлических скважин с доведением их до практического водоупора (гидравлическая завеса), устройство между пластом соли и гидравлической завесой ряда напорных скважин с подачей в них солевого рассола (солевая завеса). Для выполнения намеченных мероприятий создавались параллельные, соединяющиеся между собой штольни на правом и левом берегах Вахша, протягивающиеся вдоль пластообразного соляного тела под верховым клином плотины на отметках, близких к оголовку. Ионахшский разрыв пересекает не только основание данной плотины, но и водосборные туннели от подземной ГЭС. По нему и одному из оперяющих разрывов высокоточным нивелированием, а также с помощью двухкомпонентных наклономеров, гидростатических уровней и трехкомпонентных деформо-метров выявлены смещения со скоростью в среднем 1,6 мм/год, а по Гулизинданскому разрыву — 1,2 мм/год.
Детальные исследования в районе плотины Рогунской ГЭС позволили выявить в лежачих крыльях пересекающих эту плотину разрывов № 35 и Ионахшского тектонические линзы мощностью соответственно 30 и 80 м. Породы, слагающие эти линзы, характеризуются сильной трещиноватостью и снижением в 3-3,5 раза прочностных свойств. Для измерения современных деформаций через эти линзы были заложены поперечники высокоточного нивелирования (ошибки измерений не превышают 0,3-0,6 мм на 200-400 м), а затем на швах разрывов были установлены гидростатические уровни (ошибки 0,2 мкм/м) и наклономеры (точность 0,02 секунды), а на Инахшском разрыве и трехкомпонентные деформометры (точность 0,01 мм).

Результаты измерений приведены на рис. 6.12, 6.13. Средняя скорость относительных смещений по Ионахшскому разрыву равна 1,6 мм/год, по Гулизинданскому — 1,2 мм/год; максимальные полугодовые скорости смещений достигают по Ионахшскому разрыву — 3 мм/год, по Гулизинданскому — 5 мм/год, а по разрыву №35 — 2 мм/год. Поскольку сместители Ионахшского и Гулизинданского разрывов наклонены под углом 80-85°, а разрыв № 35 под углом 50°, абсолютные величины смещений по первым двум разрывам больше измеренных на 10-12%, а по разрыву № 35 — на 25-30%. Тектонические линзы в разрывных швах как бы выдавливаются из горного массива со средними скоростями для Ионахшского разрыва 1,7-2,6 мм/год и максимальной скоростью 8 мм/год, а линза разрыва № 35 характеризуется соответственно средней скоростью 2,1 мм/год и максимальной 6 мм/год. Деформографические наблюдения свидетельствуют о расширении трещин в этих линзах (0,11-0,26 мм за 3,5 года) и правостороннем сдвиговом смещении мелких разрывов со средними скоростями с 0,05-0,08 мм/год. Наклоны в линзах достигают 30-108 с/год по Ионахшскому разрыву и 20-40 с/год по разрыву № 35 против 6-8 с/год для целикового массива между этими разрывами. Поэтому при компоновке гидроузла наиболее ответственные его сооружения (напорностанционный узел и водонепроницаемое ядро плотины) и было рекомендовано разместить в пределах блока, ограниченного Ионахшским разрывом и разрывом №35.
Важно отметить, что активное взаимодействие сооружений, вписанных в расчлененный рельеф, со скальным основанием подтверждено фактически. В частности нагрузка от строящихся сооружений и заполнение водохранилищ приводит кроме неравномерных осадок и к другим существенным деформациям, например к сближению бортов узких каньонов. Так, местность, прилегающая к плотине Ингури ГЭС, как показывают геодезические измерения, под действием веса воды и бетона переместилась в сторону плотины и водохранилищ. Это свидетельствует об определенном (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) схождении бортов каньона в районе створа плотины.